有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化離子通道膜的制備、表征及擴(kuò)散滲析應(yīng)用.pdf

1、在鑄鐵、冶金、電鍍、印染等現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,常常使用大量的無(wú)機(jī)酸堿,因而會(huì)產(chǎn)生大量的廢酸廢堿液,為了使環(huán)境河流不受污染也為了再利用廢液中的有用資源,這些廢酸廢堿液排放之前需做一定的處理。研究者們對(duì)工業(yè)廢酸廢堿液的處理也做了大量的研究,他們?cè)鴩L試用酸堿中和、萃取、結(jié)晶等方法,但這些方法都有其弊端,或者需要大量的酸堿試劑,或者對(duì)處理設(shè)備的規(guī)格有苛刻的要求,而且需要較高的操作和處理費(fèi)用。擴(kuò)散滲析(DD)是一種新型分離過(guò)程,具有操作費(fèi)用低、清

2、潔、易操作等優(yōu)點(diǎn),因此擴(kuò)散滲析技術(shù)不但可以解決廢酸廢堿回收問(wèn)題,而且可以做到簡(jiǎn)單有效且經(jīng)濟(jì)環(huán)保。
　　在堿回收方面,為了獲得較高的回收效率,所使用的擴(kuò)散滲析膜應(yīng)該具備以下幾點(diǎn)特性:OH-滲透率和鹽截留率高、水滲透率低、熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性良好。如今,商業(yè)上使用的大多是有機(jī)高分子陽(yáng)離子交換膜,膜的穩(wěn)定性和堿通量有限,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行,穩(wěn)定性及選擇性都會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此,研究開(kāi)發(fā)出較高穩(wěn)定性和堿通量的新膜,并將其應(yīng)用于擴(kuò)散滲析處理廢堿液

3、有著重大的意義。
　　為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo),生物體內(nèi)的離子傳輸過(guò)程值得借鑒。例如,細(xì)胞膜中具有離子通道,在新陳代謝過(guò)程中,各種糖類,離子等水溶性物質(zhì)主要是通過(guò)這種離子通道進(jìn)入和離開(kāi)細(xì)胞。人體中的離子通道可以使不同的離子選擇性通過(guò)且傳輸速率相當(dāng)快(大約每秒鐘可以通過(guò)107個(gè)離子)。為此,我們?cè)噲D從仿生的角度制備一種人工的離子通道膜,以提高膜的分離效率。我們選用了具有自組裝能力的脲基硅烷或碳納米管作為原料,以聚乙烯醇( PVA)或磺化聚(2

4、,6-二甲基-1,4-苯醚)(SPPO)為膜基體,制備了一系列有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化離子通道膜,對(duì)膜的結(jié)構(gòu)和物化性能進(jìn)行了表征并探究了其在擴(kuò)散滲析方面的應(yīng)用性能。
　　本文共包括五章。第一章是緒論,對(duì)膜分離的概況作了簡(jiǎn)要介紹,然后對(duì)有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化離子膜的特性、制備方法及離子通道膜材料的分類和應(yīng)用作了詳細(xì)介紹。最后提出本論文的主要研究?jī)?nèi)容。
　　由于3-(脲基-4-甲氧基苯基)丙基三乙氧基硅烷(UPTS)可以通過(guò)芳香環(huán)和脲基的排列形成

5、自組裝離子通道,因此本文第二章中以UPTS為原料, PVA或SPPO為基體制備膜,通過(guò)DD測(cè)試表明雜化膜的性能得到很大的提高,OH-離子滲析系數(shù)(UOH)為0.013-0.022m/h,比 PVA和SPPO空白膜高2-5倍,分離因子為26-32,同樣比 PVA和SPPO空白膜高(空白膜的相應(yīng)數(shù)值為:(0.004-0.007m/h;8-11)。因此,打破了離子滲透性和選擇性之間相互牽制的“trade-off”效應(yīng),說(shuō)明 UPTS對(duì)堿的傳輸

6、可以起到促進(jìn)作用。這是因?yàn)楸交陀H水性的-OCH3基團(tuán)自組裝形成離子通道,加速了對(duì) Na+的傳輸,而脲基和Si-OH可以通過(guò)氫鍵來(lái)促進(jìn) OH-離子的傳輸。
　　第三章是對(duì)第二章內(nèi)容的拓展和延伸。在第二章中,我們發(fā)現(xiàn)使用不同溶劑制備的PVA空白膜,耐水溶脹性會(huì)有很顯著的差異,為此,第三章進(jìn)一步研究了溶劑對(duì)膜性能的影響。我們制備出兩種系列的PVA膜和SPPO膜。對(duì) PVA膜,選擇水和二甲基亞砜(DMSO)為溶劑,并變換水和DMSO的比

7、例來(lái)制備膜;對(duì) SPPO膜,使用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或 DMSO作為溶劑來(lái)制備膜。通過(guò)對(duì)膜進(jìn)行表征,發(fā)現(xiàn)溶劑對(duì)膜的物化穩(wěn)定性、離子交換能力和離子傳輸能力都會(huì)產(chǎn)生一定的影響,而且不同膜材料,受溶劑的影響程度也可能有較大差別。
　　第四章是以多壁碳納米管(MWCNTs)與PVA或 SPPO進(jìn)行共混,制備了分散均勻的擴(kuò)散滲析膜,從機(jī)械性能、水含量、溶脹特性和離子交換等多個(gè)角度表征了滲析膜的性能,并研究了在堿的DD過(guò)程中的應(yīng)用。

8、共混后的膜穩(wěn)定性,如在室溫和65℃熱水中溶脹特性得到有效的提高,可能是因?yàn)镸WCNTs在膜中起到增強(qiáng)的作用。并且摻雜 MWCNTs后,膜的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性也得到改善,這對(duì)膜的實(shí)際應(yīng)用有很重要的意義。用于NaOH/Na2WO4的DD過(guò)程,共混膜對(duì)堿的滲析系數(shù) UOH有所增加,說(shuō)明MWCNTs的加入可以促進(jìn)離子遷移傳遞,該類膜可以應(yīng)用于DD回收堿。
　　第五章是對(duì)全文的總結(jié)。通過(guò)前面幾章的實(shí)驗(yàn)工作及理論分析,得出一些對(duì)有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化離